淺談全斷面硬巖盾構掘進刀具的選擇與更換

鄭曉飛　王栓　郝保安　羅興元

[摘要]在硬巖地層條件下，掘進存在的問題是刀具磨損嚴重，掘進速度慢，且在控制不當的情況下易造成刀具非正常損壞，可能對刀盤造成磨損或損壞。依據廣州市軌道交通七號線一期工程南村站一中間風機房（不含）區間，盾構掘進穿越硬巖的實例。通過選擇合理的刀具及配置，分析施工中刀具的磨損原因并采取應對措施，有計劃地更換刀具，建立完善的刀具更換流程并加強管理等，確保盾構茌硬巖中安全順利推進。

[關鍵詞]硬巖；盾構掘進；刀具選擇；刀具更換

一.工程概況

廣州市軌道交通七號線一期工程南村站～中間風機房（不含）盾構區間，線路縱斷面為下坡，最大坡度為26‰，線路埋深12.04m～36.73m，隧道頂覆土7.86m～32.55m。根據地質勘察資料，隧道主要穿行于<6>全風化泥質粉砂巖、<7>強風化泥質粉砂巖、<8>中風化泥質粉砂巖、<6Z>全風化混合花崗巖、<7Z>強風化混合花崗巖、<8Z>中風化混合花崗巖和<9Z>微風化混合花崗巖等。

區間左線長1678.269m，穿越<8Z>中風化混合花崗巖、微風化混合花崗巖及其混合巖地層為962.57m，占左線線路的57.35%。區間右線長1703.560m，穿越<8Z>中風化混合花崗巖、

（2）刮刀出現磨損、脫落、崩裂等，特別是刀盤外周的刀具磨損嚴重，以至于滾刀破巖后巖石無法正常刮落。輔助刀具對滾刀保護基本失去作用，導致滾刀受損嚴重。

（3）刀具螺帽發生松動現象，甚至螺桿出現脫落，此時繼續掘進時，松動的刀具隨著刀盤轉動，刀軸也會跟著抖動造成刀具無法正常受力破巖，從而影響刀具壽命。

（4）盾構姿態不均衡，茌調節姿態時各分區油缸壓差過大，使整個刀盤面受力不均，導致在轉動刀盤時刀具在不同位置受到的阻力扭矩不同，刀具旋轉不均勻，引起刀圈偏磨。

（5）海瑞克盾構機邊緣滾刀（31#-39#）布置較為薄弱，每個邊緣輪廓軌跡上只有一把刀具，一旦發生刀具損壞，易引起周邊刀具連鎖性破壞。

4.2應對措施

（1）盾構茌全斷面硬巖中掘進時，采用敞開式掘進模式，加快螺旋機轉速，減少土倉內的積土。通過向掌子面注入泡沫，降低刀具溫度，潤滑刀具，以此減少對刀具的影響。

（2）將刀具螺母全部更換為自鎖螺母，墊片更換為陰陽子母墊片，防止在掘進中松動。

（3）在保證盾構姿態的情況下盡量控制各分區的油缸壓力差在50bar以內，在全斷面硬巖地層每一環盾構姿態調整量應控制在5mm以內。

（4）關注掘進參數的變化，參數異常時，選擇合適地點，盡快開倉檢查刀具和掌子面情況。掘進參數的選擇以保護刀具為原則，按高轉速、低扭矩選取參數，掘進參數控制范圍：推力800-1200T，刀盤轉速1.7～2.2r/min，刀盤扭矩1600-2800KN·m，掘進速度≤25mm/min。

（5）勤檢查刀具，及時對松動的螺栓進行復緊，偏磨和磨損超限的刀具及時更換，避免造成周圍刀具的磨損損壞。

（6）堅持在土倉隔板處巡視觸聽土倉中的異常聲響，及時發現并盡早清除土倉中的異物，也是保護刀具非正常損壞的重要措施。

五.刀具管理

建立嚴格的刀具檢查管理制度，制定定期和不定期刀具檢查制度，是盾構機在硬巖掘進的必要保障，刀具管理要有專業的人員來管理和維護。-

5.1建立定期和不定期刀具檢查制度

（1）定期刀具檢查制度

一是刀具更換完成后，推進1-2環，檢查刀具的情況并對刀具螺栓進行復緊；二是每掘進10環進行刀具的常規磨損檢查，根據刀具檢查結果，制定刀具維護、更換方案。

（2）不定期刀具檢查制度

在盾構掘進過程中，盾構值班土建工程師和盾構司機根據掘進參數的異常和刀盤發出的異常聲響等情況，對刀具進行檢查，根據刀具檢查結果，制定刀具維護、更換方案。

（3）刀具檢查內容

刀具的檢查包括螺絲是否松動、斷絲，刀圈是否破裂、脫落，刀具是否偏磨并用卡尺檢查磨損量等。

5.2刀具更換標準

（1）正面滾刀刀圈磨損量在15～20mm時須換刀，邊緣滾刀刀圈磨損量為5～10mm時須換刀。

（2）邊緣刮刀及齒刀出現崩齒或刀具上的合金堆焊層磨損較嚴重時須更換。

（3）換刀時如發現刀具偏磨、刀圈崩裂等，必須進行更換。

5.3刀具更換

刀具更換流程：出土停機→打開艙門→通風、沖洗刀具→觀察掌子面及滲漏水情況→注雙液漿封環→工具準備→刀具磨損測量→拆、裝刀→檢查安裝質量→整理工具→關閉倉門→恢復掘進。

根據掘進過程中渣土的含水量，確定是否在盾尾后5-6環注雙液漿封環，開倉后先通風、沖洗刀盤刀具。同時觀察掌子面情況和土倉后方來水情況，水量大時在盾尾后方補注雙液漿封環截水。通知地面人員準備換刀工具和刀具，檢查、測量刀具磨損情況并詳細記錄。將磨損情況反饋到項目部，根據磨損情況制定換刀方案，同時通知換刀人員準備拆裝刀。對于斷絲或卡死刀箱的情況，準備絲桿、水下焊機、氧氣乙炔等。刀具更換完成后，全面檢查一遍并對刀具螺栓再次復緊，然后將工具全部整理出來，關閉倉門恢復掘進。

盾構機換刀目前大多數采用“背裝式”，該方式更換刀具較快，且易于操作。

（1）對于磨損超限的邊緣刀，可以放在正面刀使用的，調換到正面刀位置，以合理利用刀具。

（2）選擇專業的隊伍加快換刀速度，換刀結束后，由項目機電部安排有經驗的機電工程師對刀具進行檢查，確保刀具的安裝質量合格。

（3）換刀工具安排專人進行維修保養，對于換刀時采用的照明燈具提前檢查更換。

（4）刀具安裝前，用風鎬進行鑿刀槽，保證有足夠的長度和深度；對變形的刀箱進行修復處理，確保刀具安裝到位。

（5）對于刀具斷絲或卡死刀箱的情況，采用焊接螺帽取絲、絲桿拖拉等進行處理，必要時對刀具采取報廢處理，利用水下焊、氧氣乙炔進行割除，見圖5.2。

（6）將磨損超限的刀具送到專業的刀具維修廠家進行維修，保證刀具的裝配扭矩合理配置和各部件的質量；

（7）為每一把刀建立刀具維修、使用及更換臺賬。

結語：

在硬巖地層中掘進，刀具磨損嚴重，更換頻率高，施工難度大。施工中根據實際地質情況選擇標準鋼刀圈的刀具，分析刀具磨損的原因，并采取減少刀具磨損的應對措施。同時加強對刀具的管理，建立定期和不定期的刀具檢查制度，完善刀具更換流程，有計劃地更換刀具等，確保盾構在硬巖中安全順利推進。